第六章 土木工程材料

1、第六章第六章 土木工程土木工程 材料材料 v土木工程材料的一般性质土木工程材料的一般性质 v（1)物理性质 表示材料物理状态特征及与各种物理过 程有关的性质。如与质量有关的基本物理参数：如密 度、表现密度、孔隙率、空隙率等；与水有关的若干 性质：亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、抗渗性、 抗冻性；与热有关的性质：热导率、热容、热阻等。 v（2)力学性质 指材料在应力作用下，有关抵抗破坏和 变形的能力的性质。包括强度、比强度、弹性、塑性、 韧性及脆性。 v（3)化学性质 指材料发生化学变化的能力及抵抗化学 腐蚀的稳定性。 v（4)耐久性 指材料在使用过程中能长久保持其原有性 质的能力。 v（1)物

2、理性质 v表示材料物理状态特征及与各种物理过程有 关的性质。如与质量有关的基本物理参数： 如密度、表现密度、孔隙率、空隙率等；与 水有关的若干性质：亲水性、憎水性、吸水 性、吸湿性、抗渗性、抗冻性；与热有关的 性质：热导率、热容、热阻等。 第一节第一节 土木工程材料的一般性质土木工程材料的一般性质 v（2)力学性质 v指材料在应力作用下，有关抵抗破坏和变形的 能力的性质。包括强度、比强度、弹性、塑性、 韧性及脆性。 v（3)化学性质 v指材料发生化学变化的能力及抵抗化学腐蚀的 稳定性。 v（4)耐久性 v指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的 能力。 v一、材料的物理性质一、材料的物理性质

3、v（一）与质量有关的性质（一）与质量有关的性质 v1.密度密度 v密度是指材料在绝对密实状态下单位体密度是指材料在绝对密实状态下单位体 积的质量。重金属材料的密度为积的质量。重金属材料的密度为7.50 9.00g/cm3，硅铝酸盐的密度多在，硅铝酸盐的密度多在 1.803.30g/cm3之间，有机高分子材之间，有机高分子材 料的密度往往小于料的密度往往小于2.50g/cm3。 v土木工程材料中除少数材料（钢材、玻 璃等）接近绝对密实外，绝大多数材料 内部都包含有一些孔隙。在自然状态下 含孔块体材料的体积V0是由固体物质的 体积（即绝对密度状态下材料的体积）V 和孔隙体积Vk两部分组成的（如图5

4、-1所 示）。 图图5-1 材料组成示意图材料组成示意图 1-孔隙；2-固体物质 v2.表观密度 v表观密度指材料在自然状态下，单位体积的质 量。表观密度的大小除取决于密度外，还与材 料孔隙率及孔隙的含水程度有关。材料孔隙越 多，表观密度越小；当孔隙中含有水分时，其 质量和体积均有所变化。因此在测定表观密度 时，须注明含水情况，没有特别标明时常指气 干状态下的表观密度，在进行材料对比试验时， 则以绝对干燥状态下测得的表观密度值（干表 观密度）为准。 v工程上可以利用表观密度推算材料用量，计算 构件自重，确定材料的堆放空间。 v3.堆积密度 v堆积密度是指散粒状或粉状材料，在自然堆积 状态下单位

5、体积的质量。材料的堆积密度取决 于材料的表观密度以及测定时材料装填方式和 疏密程度。工程中通常采用松散堆积密度，确 定颗粒状材料的堆放空间。 v 4.孔隙率 v孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的 百分率。 材料的许多工程性质如强度、吸水性、 抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料 的孔隙有关。这些性质不仅取决于孔隙率的大 小，还与孔隙的大小、形状、分布、连通与否 等构造特征密切相关。 v5.密实度 v密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程 度，也就是固体物质的体积占总体积的比例。 v密实度、孔隙率是从不同角度反映材料的致密 程度，一般工程上常用孔隙率反映材料的致密 程度。 v6.空隙

6、率 v空隙率是指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体 积占其自然堆积体积的百分率。空隙率的大小， 反映了散粒或粉状材料的颗粒之间相互填充的 紧密程度。空隙率在配制混凝土时可作为控制 混凝土粗、细骨料配料以及计算混凝土含砂率 的依据。 v（二）与水有关的性质（二）与水有关的性质 v材料能够被水润湿的性质，称为材料的 亲水性。材料不能够被水润湿的性质， 称为材料的憎水性。所谓润湿就是水被 材料表面吸附的过程，它和材料本身的 性质有关。根据材料被水润湿的程度， 可将材料分为亲水性材料与憎水性材料 两大类。 v材料的亲水性与憎水性可用润湿角来说 明，如图5-2所示。 a) b) a)材料的亲水；b)材料的憎

7、水性 v2.吸水性 v材料在浸水状态下吸收水分的能力称为吸水性。 水分的吸入给材料带来一系列不良的影响，往 往使材料的许多性质发生改变：体积膨胀，保 温性能下降，强度降低，抗冻性变差等。 v3.吸湿性 v材料在潮湿的空气中吸收水分的性质，称为吸 湿性。吸湿性的大小与自身的特性（亲水性、 孔隙率和孔隙特征）和周围环境条件有关，气 温越低，相对湿度越大，材料的吸湿性就越大。 v4.耐水性 v材料长期在饱和水作用下而不破坏，强度也不 显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用 软化系数表示。软化系数一般在01间波动， 其值越小，说明材料吸水饱和强度降低越多， 材料耐水性越差。软化系数大于0.80的材料

8、， 通常可以认为是耐水材料。 v5.抗渗性 v材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性（不透 水性）。材料的抗渗性好坏有以下两种不同表 示方法。 v 6.抗冻性 v材料在吸水饱和状态下经受多次冻结和 融化作用（冻融循环）而不破坏，同时 也不显著降低强度的性质，称为抗冻性。 抗冻性的大小用抗冻等级表示。 v材料的抗冻等级越高，其抗冻性越好， 材料可以经受冻融循环的次数越多。 v（三）与热有关的性质（三）与热有关的性质 v1.导热性导热性 v材料传导热量的能力称为导热性。导热材料传导热量的能力称为导热性。导热 性的大小用热导率表示。热导率在数值性的大小用热导率表示。热导率在数值 上等于厚度为上等于厚度为

9、lm的材料，当其相对两侧的材料，当其相对两侧 表面温度差为表面温度差为1K时，经单位面积（时，经单位面积（1m2） 单位时间所通过的热量。材料热导率越单位时间所通过的热量。材料热导率越 小，材料的隔热性能越好。小，材料的隔热性能越好。 v2.热容量 v材料加热时吸收热量，冷却时放出热量 的性质称为热容量。热容量的大小用比 热容来表示。比热容在数值上等于1g材 料，温度升高或降低1K时所吸收或放出 的能量。 v材料的热导率和比热容是设计建筑物围 护结构、进行热工计算时的重要参数， 选用热导率小、比热容大的材料可以节 约能耗并长时间地保持室内温度的稳定。 v二、材料的力学性质二、材料的力学性质 v

10、（一）强度（一）强度 v材料抵抗因应力作用而引起破坏的能力材料抵抗因应力作用而引起破坏的能力 称为强度。应力是由于外力或其他因素称为强度。应力是由于外力或其他因素 （如限制收缩、不均匀受热等）作用而（如限制收缩、不均匀受热等）作用而 产生的。材料的强度通常以材料在应力产生的。材料的强度通常以材料在应力 作用下失去承载能力时的极限应力来表作用下失去承载能力时的极限应力来表 示，数值上等于材料受力破坏时单位受示，数值上等于材料受力破坏时单位受 力面积上所承受的力。力面积上所承受的力。 v针对不同种类的材料具有抵抗不同形式 的力的作用特点，将材料按其相应极限 强度的大小，划分为若干不同的强度等 级。

11、对于水泥、石材、砖、混凝土、砂 浆等在建筑物中主要用于承压部位的材 料以其抗压强度来划分强度等级。而建 筑钢材在建筑物中主要用于承受拉力载 荷，所以以其屈服强度作为划分强度等 级的依据。 v（二）弹性与塑性（二）弹性与塑性 v材料在极限应力作用下会被破坏而失去使用功能，在材料在极限应力作用下会被破坏而失去使用功能，在 非极限应力作用下则会发生某种变形。弹性与塑性反非极限应力作用下则会发生某种变形。弹性与塑性反 映了材料在非极限应力作用下两种不同特征的变形。映了材料在非极限应力作用下两种不同特征的变形。 v弹性是指材料在应力作用下产生变形，外力取消后， 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质

12、。这 种当外力取消后瞬间即可完全消失的变形，为弹性变 形。明显具有弹性变形特征的材料称为弹性材料。 v塑性是指材料在应力作用下产生变形，当外力取消后， 仍保持变形后的形状尺寸，且不产生裂纹的性质。这 种不随外力撤消而消失的变形，为塑性变形，或永久 变形，明显具有塑性变形特征的材料称为塑性材料。 v（三）脆性和韧性（三）脆性和韧性 v脆性是指材料在外力作用下直到破坏前无明显脆性是指材料在外力作用下直到破坏前无明显 塑性变形而发生突然破坏的性质。具有这种破塑性变形而发生突然破坏的性质。具有这种破 坏特征的材料称为脆性材料。脆性材料的特点坏特征的材料称为脆性材料。脆性材料的特点 是抗压强度远大于其抗

13、拉强度，受力作用时塑是抗压强度远大于其抗拉强度，受力作用时塑 性变形小，而且破坏时无任何征兆，有突发性，性变形小，而且破坏时无任何征兆，有突发性， 主要适合于承受压力静载荷。土木工程材料中主要适合于承受压力静载荷。土木工程材料中 大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然 岩石、陶瓷、玻璃、砖、生铁、普通混凝土等。岩石、陶瓷、玻璃、砖、生铁、普通混凝土等。 v韧性是指材料在冲击或振动荷载作用下，能吸 收较大能量，产生一定的变形，而不致破坏的 性能，又叫冲击韧度。具有这种性质的材料称 为韧性材料。韧性材料的特点是塑性变形大， 受力时产生的抗拉强度接近或高于抗

14、压强度， 破坏前有明显征兆，主要适合于承受拉力或动 载荷。木材、建筑钢材、沥青混凝土等属于韧 性材料。用做路面、桥梁、吊车梁等需要承受 冲击荷载和有抗震要求的结构用材料均应具有 较高的韧性。 v三、材料的耐久性三、材料的耐久性 v耐久性是指材料在使用过程中抵抗各种自然因 素及其他有害物质长期作用，能长久保持其原 有性质的能力。 v在设计建筑物选用材料时，必须考虑材料的耐 久性问题，因为只有采用了耐久性良好的材料， 才能保证建筑物的耐久性。提高材料的耐久性， 对节约材料、保证建筑物长期正常使用、减少 维修费用、延长建筑物使用寿命等，均具有十 分重要的意义。 第二节第二节 常用工程材料常用工程材料

15、 v一、胶凝材料一、胶凝材料 v1.石膏石膏 v石膏是以硫酸钙石膏是以硫酸钙CaSO4为主要成分的气硬性为主要成分的气硬性 胶凝材料，以天然的二水石膏矿石或含有二胶凝材料，以天然的二水石膏矿石或含有二 水石膏的化学副产品和废渣为原料。主要品水石膏的化学副产品和废渣为原料。主要品 种有：建筑石膏、高强石膏、粉刷石膏、高种有：建筑石膏、高强石膏、粉刷石膏、高 温煅烧石膏等。温煅烧石膏等。 v2.石灰 v石灰是将石灰石（主要成分为碳酸钙 CaC03）在9001100温度下锻烧， 生成氧化钙（Ca0)为主要成分的气硬性 胶凝材料，又称生石灰。石灰硬化后强 度不高，耐水性差，所以石灰不宜在潮 湿环境中使

16、用，也不宜单独使用。 v3.水泥 v水泥是一种粉末状材料，加适当水调制 后，经一系列物理、化学作用，由最初 的可塑性浆体变成坚硬的石状体。具有 较高的强度，并且能将散状、块状材料 粘结成整体。水泥浆体不仅能在空气中 凝结硬化，而且能更好地在水中凝结硬 化，并保持发展其强度，因而水泥是典 型的水硬性胶凝材料。 v（1)水泥的分类 v水泥的品种繁多，按其矿物组成，水泥可分为 硅酸盐系列、铝酸盐系列、硫铝酸盐系列、铁 铝酸盐系列、氟铝酸盐系列等。按其用途和特 性又可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。 通用水泥是指目前建筑工程中常用的七大水泥 即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐 水泥、火山灰硅酸

17、盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、 复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥；专用水 泥是指有专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路 水泥等；而特性水泥是指有比较特殊性能的水 泥，如硅酸盐膨胀水泥、快硬硅酸盐水泥、抗 硫酸硅酸盐水泥等。 v（2)通用水泥 v1)硅酸盐水泥 v2)普通硅酸盐水泥 v3)矿渣硅酸盐水泥 v4)火山灰质硅酸盐水泥 v5)粉煤灰硅酸盐水泥 v6)复合硅酸盐水泥 v7)石灰石硅酸盐水泥 v（3)其他水泥 v1)快硬硅酸盐水泥 v2)快凝快硬硅酸盐水泥 v3)白色硅酸盐水泥 v4)高铝水泥 v5)膨胀水泥 v二、混凝土二、混凝土 v1.普通混凝土普通混凝土 v(1)组成材料 v1)水泥 v2)

18、细骨料（砂） v3)粗骨料 v4)水 v5)外加剂 v（2)主要技术性质 v1)和易性 v又称工作性，是指混凝土拌合物在一定 的施工条件下，便于各种施工工序的操 作，以保证获得均匀密实的混凝土性能。 和易性是一项综合技术指标，包括流动 性、粘聚性和保水性三个主要方面。 v2)混凝土强度 v混凝土强度是混凝土硬化后的主要力学 性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。 混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗 弯、抗折及握裹强度。其中以抗压强度 最大，抗拉强度最小。 v3）混凝土的变形 v 包括非荷载作用下的变形和荷载作用下 的变形。非荷载作用下的变形有化学收 缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量 过多，在混

19、凝土的内部易产生化学收缩 而引起微细裂缝。 v4)混凝土耐久性 v是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种 破坏因素作用，长期保持强度和外观完 整性的能力。具体而言，混凝土的耐久 性包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀 性及抗碳化能力等。 v2.其他混凝土 v（1)纤维增强混凝土（简称FRC) v（2)聚合物混凝土 v（3)碾压混凝土 v（4)防火混凝土 v（5)防辐射混凝土 v三、建筑砂浆三、建筑砂浆 v建筑砂浆是由胶凝材料、细骨料和水，有时也 加入适量掺合料和外加剂，混合而成的土木工 程材料，又称为无骨料的混凝土。在建筑施工 过程中，主要用作砌筑、抹灰、灌缝和粘贴饰 面的材料。建筑砂浆按用途分为砌筑

20、砂浆、普 通抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆以及防辐射 砂浆、绝热砂浆、吸声砂浆等。按所用胶凝材 料可分为水泥砂浆、石灰砂浆、混合砂浆、聚 合物砂浆等。 v四、墙体材料四、墙体材料 v1.砌墙砖 v（1)烧结砖 v（2)非烧结砖 v2.砌块 v（1)蒸压加气混凝土砌块 v（2)普通混凝土小型空心砌块 v（3)石膏砌块 v3.墙用板材 v（1)石膏板材 v（2)水泥类墙用板材 v1)GRC轻质多孔墙板 v2)纤维增强水泥平板 v五、建筑钢材五、建筑钢材 v1.混凝土结构用钢材 v（1)热轧钢筋 v（2)冷轧带肋钢筋 v（3)冷拉低碳钢筋和冷拔低碳钢丝 v（4)热处理钢筋 v（5)预应力钢丝、刻痕钢丝

21、和钢绞线 v2.钢结构钢材 v（1)钢板 v（2)钢管 v（3)型钢 v六、沥青、沥青制品与其他防水材料六、沥青、沥青制品与其他防水材料 v1.沥青、沥青制品 v沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化 合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮） 的衍生物所组成的混合物。沥青可分为地沥青 （包括天然地沥青和石油地沥青）和焦油沥青 （包括煤沥青、木沥青、页岩沥青等）。以上 这些类型的沥青在土木工程中最常用的主要是 石油沥青和煤沥青两类，其次是天然沥青。 v2.防水材料 v随着我国新型建筑防水材料的迅速发展， 各类防水材料品种日益增多。用于屋面、 地下工程及其他工程的防水材料，除常 用的沥青类防水

22、材料外，已向高聚合物 改性沥青、橡胶、合成高分子防水材料 方向发展，并在工程应用中取得较好的 防水效果。 v七、木材七、木材 v木材是一种古老的工程材料。由于具有一些独 特的优点，如轻质高强；易于加工（如锯、刨、 钻等）；有高强的弹性和韧性；能承受冲击和 振动作用；导电和导热性能低；木纹美丽；装 饰性好等。所以在出现众多新型土木工程材料 的今天，木材仍在工程中占有重要地位。但木 材也有缺点，如构造不均匀，各向异性；易吸 湿、吸水，因而产生较大的湿胀、干缩变形； 易燃、易腐等。不过，这些缺点经过加工和处 理后，可得到很大程度的改善。 v八、其它材料八、其它材料 v1.玻璃和陶瓷制品 v玻璃已广泛地应用于建筑物，它不仅有 采光和防护的功能，而且是良好的吸声、 隔热及装饰材料。除建筑行业外，玻璃 还应用于轻工、交通、医药、化工、电 子、航天等领域。常用玻璃材料的品种 可分为：平板玻璃、装饰玻璃、安全玻 璃、防辐射玻璃和玻璃砖